CN1395905A - 具有位置和时间上更稳定的基本磁场均匀性的层析摄影仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于操作磁共振设备的装置，其具有一个用于提供均匀基本磁场的基本磁场磁铁、一个用于对基本磁场进行编码的梯度线圈系统、以及一个用于使基本磁场均匀化的被动补偿系统。该被动补偿系统由置于基本磁场中的补偿铁片构成。本发明的改进在于，设置了一种可以对补偿铁片(11)的温度进行控制的装置。

Description

具有位置和时间上更稳定的 基本磁场均匀性的层析摄影仪
技术领域
本发明一般地涉及核自旋层析摄影(同意语：磁共振层析摄影；MRT)，它们在对患者进行医学检查中得到了应用。本发明尤其涉及一种核自旋层析摄影仪，其基本磁场的均匀性通过对补偿铁片的温度控制而得以稳定和调节。
背景技术
MRT以核自旋共振物理现象为基础，并作为成像方法在医学和生物物理学领域已经成功地使用了大约15年。在这种检测方法中，物体接受一个强稳定磁场。由此使物体内原本定向杂乱的原子的核自旋得以校准。高频波将“排列好的”核自旋激励为某种振荡。这种振荡产生出MRT中的实际测量信号，这些测量信号可由适当的接收线圈接收。通过使用由梯度线圈产生的与位置相关的磁场，可以对检测物体在所有三个空间方向上的位置进行编码。这种方法允许自由选择待成像的层，以获取人体在所有方向上的断面图像。MRT作为应用于医疗诊断的断面图像方法，突出的一点首先在于它是一种通过多方面的对比能力而进行的“非侵入”检查方法。由于其出色的对软组织的显示特性，使得MRT方法远远超过计算机X射线层析摄影法(CT)。如今，MRT基于使用自旋回波序列和梯度回波序列，其在几秒数量级的测量时间内就可获得优异的图像质量。
随着MRT设备部件在技术上的不断发展，以及使用更快的成像序列，使得MRT在越来越多的医学领域中得到应用。作为最少侵入手术基础的实时成像、神经学中的功能成像、以及在心脏病学中的血流测量(Perfussionmessung)仅是其中很少的几个例子。
一种这样的MRT设备的核心部分的基本构造如图6所示。它示出了在内部产生均匀基本磁场的基本磁场磁铁1(例如一个具有主动磁场泄漏屏蔽的轴向超导空心线圈磁铁)。该超导基本磁场磁铁1在内部由处于液态氦中的超导线圈构成。该基本磁场磁铁1通常被一个由高级合金钢构成的双壳容器包围。其中装有液态氦，且部分地作为磁场线圈绕组体的内壳，通过弱导热的Gfk杆悬挂在温度为室温的外壳上。内、外壳之间为真空。
圆柱形梯度线圈2通过支撑件7同心地安装在基本磁场磁铁1内的支撑管内。该支撑管的边界为向外至外壳8、向内至内壳9。
梯度线圈2具有三个分绕组，它们分别产生与所流过的电流成正比、空间上相互垂直的梯度磁场。如图7所示，梯度线圈2包含一个x线圈3、一个y线圈4、和一个z线圈5，它们均围绕在线圈芯6上，由此有目的地产生在笛卡儿坐标系x、y和z方向上的梯度磁场。每个线圈各具有自己的电源，以便能够分别产生与脉冲序列控制器中由程序设定的振幅和时间相应的电流脉冲。所要求的电流约为250A。由于梯度开关时间应尽可能地短，要求电流增加率的数量级在250kA/s。
由于梯度线圈通常由具有导电能力的结构(如由高级合金钢制成的磁导管)所包围，因此会通过磁场脉冲在其中产生涡流电流，该涡流电流又与基本磁场相互作用，使基本磁场发生改变。
然而，在磁共振层析摄影中测量空间中基本磁场的均匀性是至关重要的。
由于磁共振频率直接依赖于磁场强度，因此在所定义的测量空间中各点的场强应该相同。这对于位置分辨率或成像是重要的，并且对于在分光镜成像中频谱的可再现性来说，必须对由测量物体的磁导率所导致的磁场畸变进行后校正。
对于基本磁场的均匀化(以下称为补偿)有三种不同的公知技术：
1.对梯度线圈2(图5、图7)中的三个相互正交的、用于产生梯度磁场及对测量空间进行编码的线圈加以补偿电流，以对一阶磁场非均匀性进行补偿。
2.在梯度线圈2内部设置另一个通电流的、正交的线圈系统，利用该系统同样可以实现基本磁场的均匀性。这些附加的校正线圈10(补偿线圈，图5)用于平衡高阶磁场不均匀性，因而构造极其复杂。
3.为了实现基本磁场均匀化，利用磁场计算程序对设置在磁导管内、即梯度线圈内或在梯度线圈与基本磁场之间的铁片11(补偿铁片)(图5)的合适的设置进行计算。对该计算的预先给定的参数是对磁场分布的预测值。在安装之后还将进行一次控制测量。这一过程需反复进行，直至得到满意的补偿结果。
第一点和第二点的技术描述了主动补偿，而第三点的技术则称作被动补偿。通常利用冷却水系统冷却补偿线圈和补偿铁片。
尽管如此，由于不同物理参数的变化该补偿状态仍会产生不同的波动，这总会导致基本磁场在时间上和位置上的不均匀性。
发明内容
因此本发明要解决的技术问题是，进一步改善MRT设备使其在运行时的基本磁场在位置和时间上具有稳定的均匀性。
本发明要解决的技术问题是通过一种用于操作磁共振设备的装置实现的，其具有一个用于提供均匀基本磁场的基本磁场磁铁，一个用于编码基本磁场的梯度线圈系统，以及一个用于使基本磁场均匀化的被动补偿系统。该被动补偿系统具有安装在基本磁场中的补偿铁片。本发明的改进在于，设置了一个可以对补偿铁片的温度进行控制的装置。
采用这种结构的优点在于，系统中的温度波动(例如由梯度线圈中变化的功耗、补偿铁片中的涡流电流、或冷却水的温度引起的)可以得到补偿。
因此通过这样一种装置可以稳定各个补偿铁片的温度，这又稳定地作用于基本磁场。
同样，这样一种装置可以有目的地调节补偿铁片的温度，从而可以对基本磁场进行微调。
对补偿铁片的温度控制是借助加热线圈或珀尔帖元件实现的。
在使用加热线圈进行温度控制的情况下，其设置须避免通过并行的往、返导线以及通过适当的电流输送而产生磁场。
在此，补偿铁片被安装在非磁性导热材料上，在该材料的另一面安装加热线圈或珀尔帖元件。
在使用珀尔帖元件进行温度控制的情况下，温度控制是由一个具有四个三极管、两个操作放大器和该珀尔帖元件的桥式电路实现的。其温度控制是通过常规温度调节电路实现的。
该温度调节电路的控制还可以优选为借助数模转换器通过一条数据总线实现。
按照本发明，这样设置进行温度控制的三极管，使它们支持珀尔帖元件的热功能。
这意味着，在加热补偿铁片时被施加电流的两个三极管是以与被加热的补偿铁片热接触的方式安装的。
用于温度控制的装置设计成对每个补偿铁片的温度分别进行控制是具有优点的。
附图说明
下面将结合附图所示的实施方式对本发明的其它优点、特征、及特性作进一步的说明。其中：
图1a所示为一个对补偿铁片作温度调节的机-电单元，以及其在一个不传热、不导电的支承条中的实现，
图1b所示为加热线圈的两种可能的实施方式的俯视图，
图1c所示为借助于温度传感器对加热部件进行温度调节的一种可能的实施方式，
图2a所示为本发明借助于珀尔帖(Peltier)元件进行温度调节的实施方式，
图2b所示为一个对补偿铁片进行温度调节的机-电单元，
图3a所示为按照本发明借助于珀尔帖(Peltier)元件通过数模转换器进行温度调节的实施方式，
图3b所示为一个对补偿铁片进行温度调节的机-电单元，
图4所示为与温度相关的磁饱和感应曲线，
图5所示为一个圆柱形基本磁场磁铁的梯度线圈系统的示意图，其具有集成于一体的补偿线圈和几何上分布的补偿铁片，
图6所示为基本磁场磁铁的透视图，
图7所示为具有三个分绕组的梯度线圈的透视图。
具体实施方式
图1a示出了一个对补偿铁片11进行温度调节的机-电单元。该补偿铁片11安装在一个非磁性导热片13上(热传播，如铝)，在其背面安装了一个可电加热的线圈14。在与该线圈的同一面上有一个与导热片13热接触的温度传感器12。在另一个与该导热片13热绝缘的片17上安装了一个用于控制加热线圈的调节电路15。片13和片17例如可以用静态螺栓、插接杆或浇注保持在热绝缘的距离。
图1a所示的机-电单元表示一个单个的可加热的补偿铁片。为使基本磁场均匀，在一个不传热、不导电的支承条16(通常是注塑件，如Gfk(玻纤增强塑料)注塑件)中设置多个这样的单元。将多个这样的单元设置在多个支承条16上就构成了被动补偿(参见图5)。
在图1b中示出了加热线圈14的两种实施方式。重要的是，设置各个加热线圈时要避免由并行设置往、返导线所引起的外部磁场。对于电流的引入也是如此。因此，在图1b左侧的实施方式中热导线由两根将电流引入和引出的导线构成。
图1c示出了调节电路15的一种可能的实施方式。温差通过与当前温度相应的、温度传感器12上的电压值，和由参考电压20给出的额定值被引入操作放大器18。在操作放大器18的输出端温差被放大，并在高于最小电压差时接通三极管T。因此，直至以12和20之间的电压差的形式所表示的温差低于最小值，加热线圈14都会被供以电流。由于该调节电路在磁共振层析摄影中遭受高频磁场，因此必须例如通过电解电容器21将其衰减。电容器22是一个辅助电容器，用于稳定操作放大器的供电电压。
图2a示出了本发明借助于珀尔帖(Peltier)元件23进行温度调节的实施方式。相对于利用加热线圈进行温度调节，其优点在于：利用珀尔帖元件对补偿铁片既可以进行冷却，也可以进行加热。温度的稳定使对能源的需要较少，且反应明显加快，通常在秒的范围内。珀尔帖元件不会被基本磁场影响。
对珀尔帖元件的控制通过一个由两个操作放大器24、25，两个pnp三极管T1、T3以及两个pnp三极管T2、T4构成的桥式电路来实现。该桥式电路从与图1c所示的调节电路15构造类似的电路26获得调节值URegel。与图1c所示不同的是，在图2a中操作放大器18的输出值URegel作为桥式电路的调节值。根据温度传感器12的输出值是否低于(用于冷却)或高于(用于加热)参考电压20的额定值，URegel＞0或URegel＜0。
在URegel＜0的情况下，操作放大器24的输出电压为负，T3接通，T4断开。相反，操作放大器25的输出电压为正，T2接通，T1断开。
如图2b和3b所示，珀尔帖元件23设计成，当三极管T1、T4断开而T3、T2接通时，使导热片13并因此也使补偿铁片11冷却。
在URegel＞0的情况下，操作放大器24的输出电压为正，T4接通，T3断开。相反，操作放大器25的输出电压为负，T1接通，T2断开。
在这种情况下，所述珀尔帖元件加热导热片13，并因此也使补偿铁片11加热。如从图2b可以看出的，按照本发明，在加热时有电流流进的三极管T1、T4安装在导热片13上，且通过其自身的加热功能支持珀尔帖元件热功能。
图3a示出了本发明借助可由数模转换器单独进行控制的珀尔帖元件进行温度调节的实施方式。图3a中的桥式电路与图2a中所示的相同。电路19也与图1c中所示的调节电路15及图2a中的电路26的构造相似，其中的区别在于：导热片13的温度额定值并因此补偿铁片11的温度额定值可由一个数模转换器28(DAC)通过总线27数字化地预先没定。一个4至8位的DAC作为单个控制电路的一体化的组成部分就足以胜任。因此，可以有利地对机-电单元分开进行控制，从而可对多个补偿铁片11分别进行温度调节。由此可以如以下所述对补偿状态进行微调。
图4示出了与温度有关的磁饱和感应曲线。铁磁材料(如NiFeCu铁氧体)的感应在磁场H中达到饱和值(曲线B)。该饱和值取决于温度。温度升高，则饱和值下降(曲线C)；温度下降，则饱和值上升(曲线A)。
这意味着，当材料的温度变化时，特别是当补偿铁片的温度变化时，会产生饱和感应的漂移，从而导致补偿状态的改变以及基本磁场均匀性的变坏。这种温度变化例如可以如上所述，是通过冷却水循环的变化产生的。
按照本发明，借助于加热线圈或珀尔帖元件稳定温度可以防止饱和感应的变化，其前提是补偿铁片的调节温度低于居里温度，超过这一温度铁磁材料的磁特性就会处于停顿状态。
按照图4，补偿铁片的饱和感应对温度的依赖性还具有另一优点：
通过有目的地对每个补偿铁片分别进行温度调节(冷却或加热)，可以利用饱和感应的温度依赖性在对基本磁场的均匀性进行反复优化(被动补偿，如前)之后，进行进一步的细优化(微调)。这种微调甚至可以在操作过程中进行。
优点在于：
-明显改进了图像质量，尤其是在产生功能的MRT以及频谱学的情况下，
-大大降低了对冷却循环的要求(减小了流量，节约了开销)，
-在感兴趣的检测空间中有选择地对基本磁场的均匀性进行优化，
-在被动补偿的情况下，减少了被动补偿的重复操作，即缩短了安装时间。

Claims (13)

1.一种用于操作磁共振设备的装置，具有一个用于提供均匀基本磁场的基本磁场磁铁(1)、一个用于对基本磁场进行编码的梯度线圈系统(2)、以及一个用于使基本磁场均匀化并具有置于基本磁场中的补偿铁片的被动补偿系统，其特征在于：具有一个用于对补偿铁片(11)进行温度控制的装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述用于对补偿铁片(11)进行温度控制的装置稳定各补偿铁片(11)的温度。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述用于对补偿铁片(11)进行温度控制的装置通过有目的地调节补偿铁片(11)的温度实现对基本磁场的细优化。
4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于：对所述补偿铁片的温度控制是借助加热线圈(14)实现的。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述加热线圈(14)设计成，避免由于并行设置往、返导线以及适当的电流输送而产生磁场。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于：所述补偿铁片(11)安装在非磁性导热片(13)上，所述加热线圈(14)安装在该非磁性导热片(13)的另一面。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于：对所述补偿铁片(11)的温度控制是借助珀尔帖元件(23)实现的。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述补偿铁片(11)安装在非磁性导热片(13)上，所述珀尔帖元件(23)安装在非磁性导热片(13)的另一面。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于：所述温度控制由一个具有四个三极管(T1，T2，T3，T4)、两个操作放大器(24，25)、和一个珀尔帖元件(23)的桥式电路实现，该桥式电路由常规温度控制电路(26)控制。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：对温度控制电路(19)的控制借助一个数模转换器(28)通过数据总线(27)实现。
11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于：所述温度控制的三极管(T1，T2，T3，T4)是这样安置的，即使它们支持珀尔帖元件(23)的热功能。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的装置，其特征在于：所述两个在加热补偿铁片(11)时被通以电流的三极管(T1，T4)是这样安装的，即使它们与待加热的补偿铁片(11)是热接触的。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的设备，其特征在于：所述用于温度控制的装置设计成对每个补偿铁片(11)的温度可以单独进行控制。
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